Любой переключатель, будь то тумблер в настольной лампе или коммутатор токов в тысячи ампер на электрических станциях, работает по одному принципу. Его металлические контакты замыкаются и размыкаются, переключая электрические цепи. И, казалось бы, в этой области электротехники ничего нового придумать нельзя. Однако специалисты из города Рыбинска Ярославской области разработали полиморфные переключатели, принцип работы которых отличается от «классического» и открывает перед проектировщиками систем управления весьма интересные возможности. Об этой разработке рассказывают генеральный директор научно-производственного предприятия «Тензосенсор» Владимир Степанович Никитин и его заместитель, главный конструктор Роман Борисович Белов.
Называя наш переключатель полиморфным (от греческого слова πολύμορφος - имеющий много видов, форм) переключателем, мы имели в виду широкий спектр его функциональных возможностей. Например, в один момент времени он выполняет функцию тумблера (включён-выключен), в другой — переключателя на несколько позиций, а в третий — миниатюрного джойстика. Менять эти функции можно непосредственно во время работы, то есть в реальном времени.
В полиморфном переключателе нет механических контактов. Он почти полностью сделан из эластичного электропроводящего полимера, сопротивление которого меняется при сдавливании (так называемый тензорезистивный эффект) и весит меньше грамма. Давление на полимерную пластинку производит управляющая рукоятка типа джойстика. Встроенный микропроцессор измеряет угол её наклона, силу нажатия, величину электрического сопротивления, и передает данные в компьютер.
Полиморфные переключатели можно использовать в качестве регуляторов освещения, мощности или скорости вращения электродвигателей, элементов компьютерных клавиатур, для управления различными устройствами, машинами и механизмами вплоть до космических аппаратов. В отличие от обычных переключателей полиморфные могут реагировать на одиночные и двойные нажатия и отличают длинные нажатия от коротких, чего очень сложно достичь традиционными методами. Широкий набор функций необходим для работы в трёхмерном пространстве с несколькими степенями свободы.
Сейчас основной орган ручного управления сложными механизмами — это рычаг. Но рука слишком медленно реагирует на команду, посланную мозгом оператора, поэтому решили использовать не руку, а пальцы, которые раз в десять «шустрее». Например, рабочий ход рукоятки управления самолетом — около 150 мм, а рычажок полиморфного переключателя достаточно сместить пальцем всего на 8—10 мм. Вводить управляющие команды можно будет гораздо быстрее, что особенно важно при управлении высокоманёвренными летательными аппаратами.
Летчики и космонавты в полёте испытывают огромные перегрузки, и для выполнения любого действия им требуется прилагать большую силу. Полиморфный переключатель требует значительно меньших усилий, чем традиционная рукоятка управления или штурвал самолёта, поэтому управлять аппаратом с его помощью станет легче. К примеру, при манёвре с ускорением 3,5 g на ручку управления массой в 0,3 кг действует сила примерно в 100 Н (её можно условно представить как груз весом 10 кг), затрудняющая действия пилота. А на полиморфном переключателе массой 0,3 г эта перегрузка создаст усилие всего лишь 0,1 Н, которое оператор и не заметит. Он сможет управлять летательным аппаратом даже при экстремальных (более 7,5 g) перегрузках, когда использовать обычные средства управления невозможно.
Вообще говоря, чем длиннее рычаг, тем легче выполнять точные манёвры. Однако пальцы совершают движения намного точнее и быстрее, чем вся рука. Вспомним, как маленькие дети учатся рисовать: сначала они берут карандаш в кулак, и рисунок при этом получается неумелый. Но со временем дети осваивают мелкую моторику, начинают держать карандаш пальцами, и рисуют уже гораздо аккуратней.
Попробуйте провести эксперимент: сидя за компьютером, наведите курсор мыши на точку в тексте с помощью пальцев, как обычно, а затем сделайте то же самое, но двигая руку, но не пальцы. Результат лишь подтвердит предположение, что использование пальцев повышает не только скорость, но и точность. В качестве ещё одного примера можно упомянуть пианистов или гитаристов — они исполняют виртуозные произведения в основном пальцами, держа руку практически неподвижно. Иначе и невозможно исполнить даже относительно простые мелодии, не говоря уже о сложных музыкальных шедеврах. Именно поэтому управлять летательными аппаратами с помощью полиморфных устройств намного проще, быстрее и точнее. И никакие другие средства управления не смогут с ними конкурировать.
А мнение, что чем длиннее рычаг, тем легче выполнять точные движения, справедливо лишь для лабораторных условий, где нет перегрузок, других мешающих факторов и когда большие смещения рычага вызывают малое управляющее воздействие на аппарат.
Сейчас у нас есть полностью работоспособные модели полиморфных переключателей. Более того, на их основе мы разработали принципиально новое средство управления — полиджойстик. Он выглядит как две неподвижные рукоятки, на которых размещены миниатюрные джойстики. Пилот держится за неподвижные ручки при манёврах, толчках и перегрузках, и одновременно несколькими пальцами управляет сразу несколькими степенями свободы самолёта. Можно смело сказать, что на сегодня полиджойстик — это самое функциональное и быстрое средство управления и ввода информации. На выставках мы демонстрируем управление с его помощью симуляторами космических и летательных аппаратов, харвестеров* и реальным квадрокоптером.
И, как уже говорилось, управлять и виртуальными, и реальными аппаратами, и даже группами сравнительно несложных устройств с их помощью намного удобнее, чем обычными джойстиками. Например, один оператор сможет командовать звеном беспилотных самолётов, группой роботизированных танков или комбайнов. Обычные джойстики не способны обеспечить требуемое для этого число степеней свободы.
Полиджойстик — удобное и эргономичное устройство, так что трудностей при переобучении возникнуть не должно. Сама его идея предполагает перепрограммирование под требования и физиологические особенности конкретного пилота. Иными словами, можно настроить систему управления для каждого пилота персонально. Процесс освоения полиджойстиков, наверное, аналогичен переходу на коробку-автомат после длительного вождения автомобиля с механической коробкой передач. Первое время рука непроизвольно тянется к ручке переключения скоростей, но потом всё приходит в норму. Возможно, старым пилотам и потребуется некоторое время на переподготовку, ну а молодёжь наверняка воспримет новый вариант управления с энтузиазмом.
Например, на сегодня самая привлекательная и многообещающая область применения полиморфных переключателей — это интерфейс «человек-компьютер». Ведущие разработчики операционных систем не могут создать трехмерный интерфейс только потому, что невозможно эффективно и удобно управлять объёмными изображениями так, как это делают компьютерной мышью в плоских «окнах» Windows и прочих операционных систем. Наши полиджойстики и полиморфные переключатели позволяют создать очень простые средства для управления виртуальными объектами в трехмерном пространстве.
Полиморфный переключатель — это базовый элемент, на основе которого можно создать практически любое коммутационное устройство или систему управления. Некоторые эксперты считают, что полиджойстики станут неотъемлемым элементом управления всех космических и летательных аппаратов будущего и станут применяться до тех пор, пока не появятся нейроинтерфейсы, с помощью которых будет осуществляться управление силой мысли.
Похожая разработка, которая называется EasyPoint, есть у австрийской фирмы «Ams». Это двухмерный датчик линейных перемещений на основе сенсоров магнитного поля (датчиков Холла) и постоянного магнита. Его характеристики в чём-то даже лучше полиморфных переключателей. Например, он изготовлен как единый модуль на кристалле полупроводника, поэтому его размеры и вес ещё меньше. Но эти преимущества нельзя назвать безусловными: скажем, миниатюрность датчиков EasyPoint может оказаться скорее помехой. Они чувствительны к внешним магнитным полям и вибрации, а миниатюрные магниты со временем ослабевают. Кроме того, в системах из нескольких датчиков поля магнитов влияют друг на друга и, как следствие, управляющий сигнал искажается.
Более того, назвать это устройство полноценным джойстиком или переключателем нельзя. По сути, это движковый двухкоординатный регулятор: управляющие команды вырабатывает в нём не наклон ручки, а сдвиг управляющей кнопки в сторону от центра на 0,7—3 мм. При таких величинах начинает сказываться так называемый статический тремор (непроизвольные движения) пальца с амплитудой от 0,3 до 0,7 мм.
Полиморфные переключатели лишены этих недостатков, они проще по конструкции и дешевле в производстве, не требуют дорогих технологий и импортного оборудования, делать их можно целиком из отечественных компонентов и материалов (что очень важно для оборонного производства).
НПП «Тензосенсор» занимается только научно-исследовательской деятельностью, собственного производства не имеет, а изготовление разработанной продукции заказывает другим предприятиям. В современных условиях это дешевле и быстрее; так поступает большинство современных компаний инновационного профиля, и мы не исключение.
Нашими разработками уже интересуется ОАО «Смоленский завод радиодеталей», выпускающий продукцию для авиационной, промышленной и бытовой аппаратуры. В ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро», которое занимается разработкой бортового оборудования для самолетов и вертолетов, считают наши переключатели вполне подходящими для их систем управления. Но, как всегда, инновации в России внедрять чрезвычайно сложно, особенно в авиации и космонавтике. Это закрытые структуры, где все друг друга знают и привыкли опираться на собственные силы. Чтобы там что-то внедрить разработчику со стороны, нужно преодолеть мощные психологические и технические барьеры. Поэтому очень большое значение имеют рекомендации, авторитет компании, человеческие контакты. И в этом большую помощь нам оказывает эффективная система управления Фонда «Сколково», команда кластера «Космос» и её руководитель, член экспертной сети ОАО «РВК», космонавт Сергей Александрович Жуков.Источник: Наука и жизнь
Многие интересные разработки в России начинаются (и, к сожалению, зачастую заканчиваются) в оборонном производстве. Однако разработка полиморфных переключателей военным заказом не была. Сначала эту красивую идею мы запатентовали в России в 2003 году. Затем её поддержал Фонд Бортника (он помогает развитию малых предприятий) — так возникло предприятие НПП «Тензосенсор». В 2008 году мы выиграли конкурс на НИР Министерства промышленности и торговли РФ, через два года победили в конкурсе Министерства образования и науки, а в 2011 году нас поддержал Фонд «Сколково». Можно сказать, что наш проект появился на свет только благодаря конкурсной программе поддержки научных проектов. Такая методика давно и успешно применяется в странах Европы и в США, и в нашей стране, при всех её огрехах и издержках, она тоже начинает работать и приносить замечательные плоды — новые технологии и изобретения. В России много талантливой молодежи, и нужно создать условия для её нормального творческого и коммерческого роста, активно поддерживать, не срываясь в крайности.